ANDRZEJ SOWA JAROSŁAW WIATER Politechnika Białostocka OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W OBWODACH LICZNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ SCIENTIFIC BULLETIN OF ŁÓDŹ TECHNICAL UNIVERSITY ANDRZEJ SOWA JAROSŁAW WIATER Politechnika Białostocka OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W OBWODACH LICZNIKÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ Opiniodawca: Maszynopis dostarczono Streszczenie W artykule przedstawiono zasady ograniczania przepięć dochodzących do liczników energii elektrycznej dołączonych w sposób bezpośredni lub pośredni do sieci elektroenergetycznej. Uwzględniono możliwość występowania zagrożeń stwarzanych przez prąd piorunowy, przepięcia łączeniowe oraz przepięcia atmosferyczne. 1. WSTĘP Stan bezawaryjnego działania elektronicznych, wielofunkcyjnych liczników energii elektrycznej można zapewnić ograniczając do odpowiednich poziomów przepięcia występujące w instalacji elektrycznej oraz w systemach przesyłu sygnałów. Dobierając i rozmieszczając urządzenia do ograniczania przepięć SPD (Surge Protective Devices) należy uwzględnić występujące narażenia udarowe oraz poziomy wytrzymałości udarowej portów zasilania i sygnałowych chronionych liczników. 2. POZIOMY WYTRZYMAŁOŚCI UDAROWEJ LICZNIKÓW Jednym z podstawowych wymagań elektrycznych, jakie powinny spełniać liczniki, jest zachowanie odpowiednich właściwości dielektrycznych przy działaniu różnorodnych napięć, jakie mogą wystąpić w naturalnych warunkach. Do odwzorowania narażeń udarowych liczników wykorzystywane jest napięcie udarowe o wartości szczytowej V oraz kształcie 1,2/50 [6, 7].

2 Podstawowy zakres badań wytrzymałości udarowej liczników zestawiono w tab. 1. Tabela 1. Zakres badań wytrzymałości udarowej liczników Zakres badań Badania izolacji torów i izolacji między torami Badania izolacji torów względem masy Sposób prowadzenia badań Próby dla poszczególnych torów, które podczas normalnej pracy są odizolowane od innych torów. Wspólne próby torów napięciowych i prądowych. Napięcie doprowadzane do wspólnego punktu oraz każdego swobodnego końca torów napięciowych. Próba toru prądowego - napięcie udarowe połączone pomiędzy każdy z zacisków a masę. Próba toru napięciowego napięcie udarowe połączone pomiędzy każdy z zacisków a masę. Próby torów pomocniczych (przewidywane do zasilania z sieci lub przekładnika) o napięciu wyższym od 40V. Wszystkie zaciski torów elektrycznych licznika połączone. Napięcia udarowe doprowadzane pomiędzy wszystkie tory elektryczne a masę. Uwagi Zaciski torów niebadanych powinny być połączone z masą. W przypadku połączenia obu torów. W przypadku wspólnego, połączonego z masą, punktu kilku torów napięciowych. Tory napięciowe i prądowe rozdzielone i każdy ma oddzielną izolację. Próby niezależnie dla każdego toru. Zaciski, które nie są badane powinny być połączone z masą. Próby na takich samych warunkach jak próby torów napięciowych. Do połączonych zacisków elektrycznych należy również połączyć zaciski pomocnicze. 3. NARAŻENIA UDAROWE LICZNIKÓW Liczniki energii elektrycznej mogą być podłączone do sieci elektroenergetycznej bezpośrednio, przez przekładniki prądowe (połączenie półpośrednie) lub przez przekładniki prądowe i napięciowe (połączenie pośrednie). W zależności od układu połączeń, liczniki mogą być narażone na oddziaływanie części prądu piorunowego oraz wszelkiego rodzaju przepięć występujących w sieciach elektroenergetycznych różnych napięć Zagrożenie udarowe w instalacji elektrycznej do 1000 V W obiekcie budowlanym posiadającym urządzenie piorunochronne instalacja elektryczna i dołączone do niej urządzenia pomiaru energii mogą być narażone na bezpośrednie oddziaływanie części prądu piorunowego. Takie

3 zagrożenie występuje podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt budowlany (rys.1.). W zaleceniach zawartych w normie dotyczącej ochrony odgromowej [9] przyjęto, że podczas wyładowania w obiekt do instalacji przewodzących dochodzących do obiektu może popłynąć połowa prądu piorunowego. Rys.1. Przykładowy rozpływ prądu piorunowego w obiekcie budowlanym Znacznie częściej liczniki narażone są na działanie przepięć dochodzących z sieci elektroenergetycznej do obiektu budowlanego. W większości przypadków występujące przepięcia mają kształt tłumionej sinusoidy lub przebieg dwuwykładniczy. Na podstawie dostępnych danych można przyjąć, że w ciągu roku w instalacji elektrycznej wystąpią pojedyncze przepięcia o wartościach szczytowych w przedziale od 1000 V do 5000 V. W sieci elektroenergetycznej ułożonej w terenie podmiejskim lub wiejskim liczba przepięć będzie wielokrotnie większa. W ciągu roku mogą wystąpić przepięcia o wartościach szczytowych przekraczających 5 kv. Podejmowane są również próby uporządkowania dostępnych wyników i wykreślenia krzywych umożliwiających wyznaczanie liczby przepięć o dowolnej amplitudzie, jakie mogą wystąpić w ciągu roku w instalacji elektrycznej. Przykład takich przebiegów przedstawiono na rys. 2. Otrzymane krzywe wyznaczono uwzględniając różny "stopień wystawienia" obwodów niskonapięciowych sieci zasilających na działanie impulsów zakłócających Zagrożenie udarowe w sieci elektroenergetycznej średniego napięcia Najgroźniejszym przypadkiem jest bezpośrednie wyładowanie piorunowe w przewody linii elektroenergetycznej. Częstość wyładowań uzależniona jest od

4 - krzywa A (małe wystawienie na zakłócenia) ; przepięcia w podziemnych kablach zasilających ułożonych w miastach, - krzywa B (wystawienie średnie); przepięcia w biegnących przez tereny podmiejskie kablach podziemnych z dołączonymi odcinkami linii napowietrznych, - krzywa C (wystawienie duże); przepięcia w liniach napowietrznych biegnących przez tereny niezabudowane. Rys.2. Krzywe określające liczby przepięć o różnych amplitudach wywołanych w ciągu roku w obwodach sieci zasilającej przez zewnętrzne źródła zakłóceń wymiarów linii, lokalnej częstości wyładowań piorunowych w analizowanym obszarze oraz ekranujących właściwości otoczenia. W takich przypadkach wartości napięć i prądów dochodzących do przekładników stosowanych przy pomiarach półpośrednich lub pośrednich uzależnione są od poziomów napięć przeskoku na izolatorach oraz od spadku napięć na indukcyjnościach przewodów i rezystancjach uziomów słupów, na których nastąpiły przeskoki. Znacznie mniejsze wartości osiągają przepięcia atmosferyczne indukowane. Najczęściej mają one przebieg aperiodyczny lub oscylacyjny tłumiony. Uproszczoną zależność określającą wartość szczytową napięcia U indukowanego pomiędzy przewodem a ziemią można przedstawić w postaci: U = 30 (H/d) I [kv] gdzie: I - prąd piorunowy [ka], H - wysokość zawieszenia przewodu nad ziemią [m], d - odległość pomiędzy przewodem a miejscem uderzenia pioruna [m]. Istnieje również możliwość określenia liczby przepięć o danej wartości szczytowej uwzględniając wymiary linii oraz roczna częstość wyładowań piorunowych w analizowanym obszarze. Liczba przepięć wynosi: 6 30 (1 c) N g H L 3,5 + 2,5 log N i = 1,9 10 U gdzie N i - liczba indukowanych przepięć. 3,75

5 Współczynnik c określa redukujący czynnik wprowadzany przez uziemiony przewód neutralny lub ochronny (c = 0, jeśli brak wymienionych przewodów, c = 0,7 lub 0,9 w zależności od uziemiania przewodów). W sieci elektroenergetycznej przepięcia powstają również podczas nagłych zmian napięcia zasilającego lub konfiguracji układu połączeń poszczególnych elementów systemu, tzw. przepięcia łączeniowe. 3. OCHRONA PRZED PRZEPIĘCIAMI URZĄDZEŃ DO POMIARU ENERGII W przypadku bezpośredniego połączenia liczników do instalacji elektrycznej ochronę instalacji i liczników przed działaniem części prądu piorunowego zapewniają SPD typu I. Rozpływ prądu piorunowego w sieci TN-C posiadającej SPD podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt budowlany przedstawiono na rys. 3. L1 L2 L3 PEN SPD typu I Część prądu piorunowego Przewód odprowadzający Rys. 3. Rozpływ prądu piorunowego w instalacji elektrycznej systemu TN-C (przypadek bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt budowlany) Szyna wyrównywania potencjałów Otok lub uziom fundamentowy W najbardziej niekorzystnych warunkach można przyjąć wystąpienie prądu piorunowego o wartości szczytowej 200 ka (wymóg I poziomu ochrony odgromowej) oraz doprowadzanie do obiektu tylko instalacji elektrycznej systemu TN-C. W takim układzie w pojedynczym przewodzie instalacji elektrycznej może popłynąć prąd udarowy o wartości szczytowej dochodzącej do 25 ka i kształcie 10/350 µs. Zalecenie przyjmowania mniejszych wartości prądów piorunowych w pojedynczych przewodach (do 12,5 ka) zawarto w normie omawiająca zasady ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej [10]. W układzie przedstawionym na rys. 3. licznik umieszczony przed układem SPD (patrząc od strony zasilania) będzie narażony na bezpośrednie działanie części prądu piorunowego o wartości szczytowej dochodzącej do 75 ka oraz napięć udarowych o wartości szczytowej dochodzących do V.

6 Zmiana miejsca montażu licznika, za układem SPD (rys.3.) eliminuje zagrożenie stwarzane przez prądy piorunowe. Wh L1 L2 L3 N PE Stacja tranformatorowa 1 3 Obiekt budowlany złącze instalacji elektrycznej 2 - główna szyna uziemiająca 3 SPD typ I 4 przewód uziemiający Rys.3. Wyrównanie potencjałów w instalacji elektrycznej licznik za układem SPD Liczniki narażone są tylko na działanie napięć udarowych o wartościach dochodzących do 4000 V. W celu ograniczenia prądów upływu zalecane jest stosowanie iskiernikowych urządzeń do ograniczania przepięć typu I[8]. W instalacjach, w których występują tylko przepięcia atmosferyczne i łączeniowe należy rozważyć możliwość zastosowania układów SPD typu II, zawierających szeregowe połączenie iskierników i warystorów (eliminacja prądów upływu). Zasady ograniczania przepięć w układach półpośrednich i pośrednich przedstawione zostaną na przykładach układów pomiarowych w stacjach elektroenergetycznych, w których budynki nastawni mogą znajdować się w znacznej odległości od miejsca montażu przekładników. Stwarza to konieczność stosowania w obwodach wtórnych przewodów o długościach dochodzących nawet do kilkuset metrów. W takich układach przepięcia przenoszą się ze strony pierwotnej na wtórną droga sprzężeń magnetycznego, elektrycznego i galwanicznego. Sprzężenia powodują, że w miejscu pomiarów mogą wystąpić napięcia udarowe doziemne oraz różnicowe. Dane literaturowe oraz wyniki badań prowadzonych przez autorów niniejszej opracowania wykazują, że napięcia doziemne mogą osiągać wartości do kilku kilowoltów, a w przypadku sprzężeń galwanicznych nawet do 20 kv [1,2,4]. Sprzężenia galwaniczne wywołane są przez różnice potencjałów uziomów stacji i nastawni. Jeśli uwzględnimy wymogi obowiązkowego uziemiania uzwojeń wtórnych przekładników oraz niedopuszczanie do uziemiania w kilku miejscach np. w rozdzielni i nastawni, to równica potencjałów może być groźna dla uzwojeń izolacji liczników. Rozwiązaniem może być uziemianie w nastawi. W

7 takich przypadku nie wnosimy potencjałów z siatki uziemiającej z rozdzielni do nastawni. Rys. 4. Ograniczanie różnic potencjałów pomiędzy uziomami rozdzielni i nastawi Jeśli uziemienie zostało wykonane w bliskim sąsiedztwie przekładnika to iskierniki gazowe należy zamontować w budynku nastawi. Dynamiczne napięcie zapłonu zastosowanych iskierników powinno być mniejsze od 6 kv. Podobny sposób ograniczania różnic potencjałów można zastosować w przypadku przekładników prądowych. Budynek nastawni Budynek nastawni Rys.5. Przykład ograniczania przepięć w układzie z przekładnikiem prądowym. W przypadku przesyłania danych pomiarowych (droga radiowa lub łącza kablowe) należy również ograniczać przepięcia w dochodzące do portów sygnałowych i zasilających liczników. 4. ZAKOŃCZENIE Jeśli uzwojenia wtórne są uziemione w nastawni to do ograniczania różnic potencjałów przy przekładniku można zastosować iskierniki gazowe (rys. 4.). W przykładzie przedstawionym na rys.5 ograniczanie są zarówno różnice potencjałów pomiędzy systemami uziomów jak i przepięcia występujące pomiędzy przewodami w obwodzie wtórnym. Stosowanie coraz doskonalszych liczników energii elektrycznej stwarza konieczność: przeanalizowania narażeń udarowych w miejscach ich zainstalowania,

8 porównania występującego zagrożenia z poziomami wytrzymałości udarowej liczników, instalowania urządzeń do ograniczania przepięć. Dobierając i rozmieszczając urządzenia ograniczające przepięcia należy dążyć do wyeliminowania ich wpływu na pracę chronionych liczników. LITERATURA [1] Wiszniewski A.: Przekładniki w elektroenergetyce. WNT Warszawa [2] Nowicz R.: Przekładniki napięciowe. Klasyczne, specjalne i niekonwencjonalne. Monografie Politechniki Łódzkiej, 2003, [3] Technical Report General Basic information regarding surge overvoltages and surge protection in low-voltage a.c. power systems. [4] Kasprzak A., Orlikowski M., Brodecki D.: Badanie przenoszenia zakłóceń impulsowych w przekładnikach. Zeszyty Politechniki Łódzkiej, Elektryka z.96, [5] Koszmider A.: Właściwości indukcyjnych przekładników wysokonapięciowych w świetle wymagań dyrektywy kompatybilnościowej. Zeszyty Politechniki Łódzkiej, Elektryka z.100,str [6] PN-93/E Liczniki energii elektrycznej. Liczniki indukcyjne energii czynnej prądu przemiennego klasy 0,5, 1, 2. [7] PN-E Liczniki energii elektrycznej. Liczniki indukcyjne energii biernej klasy 3. [8] Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke VDEW e.v. : Überspannungsschutzeinrichtungen der Anforderungsklasse B. Richtlinie für den Einsatz in Hauptstromversorgunssystemen. [9] PN-IEC Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Zasady ogólne. [10] CEI IEC Electrical installations In buildings Part 5-53: Selection and erection of electrical equipment Isolation, switching and control. OVERVOLTAGE PROTECTION IN CIRCUITS OF ALTERNATING CURRENT ELECTRICITY METERS Abstract Article presented the basic information about overvoltage protection in circuits of electricity meters which are connected directly or indirectly to power systems. In analysis the protection against some parts of lightning currents and all types of overvoltages was considered.